miniatura|Impressió artística d'una nau espacial impulsada per un motor VASIMR El coet de magnetoplasma d'impuls específic variable (VASIMR) és un propulsor electrotèrmic en desenvolupament per al seu possible ús en la propulsió de naus espacials. Utilitza ones de ràdio per ionitzar i escalfar un propel·lent inert, formant un plasma, i després un camp magnètic per confinar i accelerar el plasma en expansió, generant empenyiment. És un motor de propulsió de plasma, un dels diversos tipus de sistemes de propulsió elèctrica de naus espacials.
El mètode VASIMR per escalfar plasma es va desenvolupar originalment durant la investigació de la fusió nuclear. El VASIMR pretén reduir la bretxa entre els coets químics d'alt impuls i baix impuls específic i la propulsió elèctrica de baix impuls i alt impuls específic, però encara no ha demostrat un alt impuls. El concepte VASIMR es va originar el 1977 amb l'exastronauta de la NASA Franklin Chang-Díaz, que ha estat desenvolupant la tecnologia des de llavors.
Disseny i funcionament miniatura|Esbós 3D d'un propulsor electromagnètic El VASIMR és un tipus de propulsor de plasma electrotèrmic/propulsor de magnetoplasma electrotèrmic. En aquests motors, un propel·lent neutre i inert s'ionitza i s'escalfa mitjançant ones de ràdio. El plasma resultant s'accelera amb camps magnètics per generar empenyiment. Altres conceptes de propulsió de naus espacials relacionats amb l'alimentació elèctrica són el propulsor de plasma sense elèctrodes, el coet d'arcjet de microones i el propulsor inductiu polsat.
El propel·lent, un gas neutre com l'argó o el xenó, s'injecta en un cilindre buit amb una superfície recoberta d'electroimants. En entrar al motor, el gas s'escalfa primer fins a formar un "plasma fred" mitjançant una antena/acoblador de radiofreqüència d'hèlix que bombardeja el gas amb energia electromagnètica, a una freqüència de 10 a 50 MHz, eliminant electrons dels àtoms del propel·lent i produint un plasma d'ions i electrons lliures. En variar la quantitat d'energia d'escalfament de radiofreqüència i plasma, s'afirma que el VASIMR és capaç de generar un gas d'escapament d'impulsos d'alta especificitat i baixa empenta o un gas d'escapament d'impulsos d'alta especificitat i baixa empenta. La segona fase del motor és un potent electroimant de configuració de solenoide que canalitza el plasma ionitzat, actuant com una broqueta convergent-divergent com la broqueta física dels motors de coet convencionals.
Un segon acoblador, conegut com a secció d'escalfament de ciclotró iònic (ICH), emet ones electromagnètiques en ressonància amb les òrbites dels ions i els electrons mentre viatgen pel motor. La ressonància s'aconsegueix mitjançant una reducció del camp magnètic en aquesta part del motor que alenteix el moviment orbital de les partícules de plasma. Aquesta secció escalfa encara més el plasma a més d' 1,000,000 K (1.000.000 °C; 1.800.000 °F) —unes 173 vegades la temperatura de la superfície del Sol.
El camí dels ions i els electrons a través del motor s'aproxima a les línies paral·leles a les parets del motor; tanmateix, les partícules orbiten realment aquestes línies mentre viatgen linealment a través del motor. La secció final, divergent, del motor conté un camp magnètic en expansió que expulsa els ions i els electrons del motor a velocitats de fins a 50,000 m/s (180.000 km/h).
Avantatges A diferència dels processos típics d'escalfament per ressonància de ciclotró, els ions VASIMR són expulsats immediatament de la boquilla magnètica abans d'assolir una distribució termalitzada. Basant-se en un nou treball teòric del 2004 per Alexey V. Arefiev i Boris N. Breizman de la Universitat de Texas a Austin, pràcticament tota l'energia de l'ona iònica del ciclotró es transfereix uniformement al plasma ionitzat en un procés d'absorció de ciclotró d'un sol pas. Això permet que els ions surtin de la boquilla magnètica amb una distribució d'energia molt estreta i permet una disposició dels imants significativament simplificada i compacta al motor.
El VASIMR no utilitza elèctrodes; en canvi, protegeix magnèticament el plasma de la majoria de les peces del maquinari, eliminant així l'erosió dels elèctrodes, una font important de desgast en els motors iònics. En comparació amb els motors de coet tradicionals amb canonades molt complexes, vàlvules d'alt rendiment, actuadors i turbobombes, el VASIMR gairebé no té peces mòbils (a part de les petites, com les vàlvules de gas), maximitzant la durabilitat a llarg termini.
Desavantatges Segons Ad Astra a partir del 2015, el motor VX-200 requereix 200 kW de potència elèctrica per produir d'empenta, o 40 kW/N. En canvi, el propulsor iònic NEXT convencional produeix 0,327 N amb només 7,7 kW, o 24 kW/N. Elèctricament parlant, NEXT és gairebé el doble d'eficient i va completar amb èxit una prova de 48.000 hores (5,5 anys) el desembre de 2009.
També sorgeixen nous problemes amb el VASIMR, com ara la interacció amb camps magnètics forts i la gestió tèrmica. La ineficiència amb què funciona el VASIMR genera una calor residual substancial que cal canalitzar sense crear sobrecàrrega tèrmica ni estrès tèrmic. Els electroimants superconductors necessaris per contenir plasma calent generen camps magnètics de rang de tesla que poden causar problemes amb altres dispositius a bord i produir un parell motor no desitjat per interacció amb la magnetosfera. Per contrarestar aquest darrer efecte, es poden empaquetar dues unitats de propulsió amb camps magnètics orientats en direccions oposades, formant un quadrupol magnètic de parell motor net zero.
Recerca i desenvolupament miniatura|Esquema de l'experiment de laboratori VASIMR El primer experiment VASIMR es va dur a terme a l'Institut Tecnològic de Massachusetts el 1983. A la dècada del 1990 es van introduir importants refinaments, com ara l'ús de la font de plasma d'helicó, que va substituir la pistola de plasma originalment prevista i els seus elèctrodes, cosa que va augmentar la seva durabilitat i vida útil.
L'empresa Ad Astra Rocket Company (AARC) del 2010 va ser la responsable del desenvolupament de VASIMR, i va signar el primer Acord de la Llei Espacial el 23 de juny de 2005 per privatitzar la tecnologia VASIMR. Franklin Chang-Díaz és el president i CEO d'Ad Astra, i l'empresa tenia unes instal·lacions de proves a Libèria, Costa Rica, al campus de la Universitat de la Terra. miniatura|Cambra de proves del VX-10 al Laboratori Avançat de Propulsió Espacial del Centre Espacial Johnson
Aplicacions potencials El VASIMR té una relació empenyiment-pes relativament deficient i requereix un buit ambiental. Les aplicacions proposades per al VASIMR, com ara el transport ràpid de persones a Mart, requeririen una font d'energia de molt alta potència i baixa massa, deu vegades més eficient que un reactor nuclear (vegeu coet elèctric nuclear). El 2010, l'administrador de la NASA, Charles Bolden, va dir que la tecnologia VASIMR podria ser la tecnologia innovadora que reduiria el temps de viatge en una missió a Mart de 2,5 anys a 5 mesos. Tanmateix, aquesta afirmació no s'ha repetit en l'última dècada.
L'agost de 2008, Tim Glover, director de desenvolupament d'Ad Astra, va declarar públicament que la primera aplicació prevista del motor VASIMR és "transportar coses [càrrega no humana] des de l'òrbita terrestre baixa fins a l'òrbita lunar baixa", donant suport als esforços de retorn de la NASA a la Lluna.
Mart en 39 dies Per tal de dur a terme un viatge tripulat imaginari a Mart en 39 dies,Video: "Mars in 39 Days?: the VASIMR Plasma Engine. Franklin Chang-Díaz, Ph.D." el VASIMR requeriria un nivell de potència elèctrica molt alt.
A més a més, qualsevol tecnologia de generació d'energia produirà calor residual. El reactor necessari de 200 megawatts "amb una densitat de potència a massa de 1.000 watts per quilogram " requeriria radiadors extremadament eficients per evitar la necessitat de "radiadors de la mida d'un camp de futbol".Video: VASIMR Debate/The VASIMR Hoax – Dr. Robert Zubrin – 14th International Mars Society Convention, Time Index 14:30
Referències
Categoria:Motors Categoria:Coets